SMT焊點質量檢測方法

1、SMT焊點質量檢測方法 熱循環(huán)為確保電子產品德量穩(wěn)固性和可靠性， 或對失效產品進行剖析診斷， 一般需進行 必要的焊點質量檢測。 SMT中焊點質量檢測辦法很多，應當依據不同元器件、不同檢測項目 等選擇不同的檢測方法。1 焊點質量檢測方式 焊點質量常用檢測方法有非破壞性、破壞性和環(huán)境檢測 3 種，見表 1 所示。1.1 目視檢測目視檢測是最常用的一種非破壞檢測方法，可用萬能投影儀或10 倍放大鏡進行檢測。檢測速度和精度與檢測職員才能有關，評價可依照以下基準進行：潤濕狀況釬料完整籠罩焊盤及引線的釬焊部位， 接觸角最好小于 20°，通常以小于 3 0°為標準，最大不超過 60

2、76;。焊點外觀釬料流動性好，表面完全且平滑光明，無針孔、砂粒、裂紋、橋連和拉尖等 渺小缺點。釬料量釬焊引線時，釬料輪廓薄且引線輪廓顯明可見。1.2 電氣檢測電氣檢測是產品在加載條件下通電，以檢測是否滿足所請求的規(guī)范。它能有效地查出目視檢測所不能發(fā)明的微小裂紋和橋連等。檢測時可應用各種電氣丈量儀，檢測導通不良及在釬焊進程中引起的元器件熱破壞。 前者是由渺小裂紋、 極細絲的錫蝕和松香粘附等引起， 后者是由于過熱使元器件失效或助焊劑分解氣體引起元器件的腐化和變質等。1.3 X-ray 檢測X-ray檢測是應用X射線可穿透物資并在物質中有衰減的特征來發(fā)明缺陷，主要檢測焊點內部缺陷，如BGACSP和F

3、C焊點等。目前X射線裝備的X光束斑一般在1-5卩m范疇內， 不能用來檢測亞微米規(guī)模內的焊點微小開裂。1.4 超聲波檢測超聲波檢測利用超聲波束能透進金屬材料的深處， 由一截面進入另一截面時， 在界面邊 沿發(fā)生反射的特色來檢測焊點的缺陷。 來自焊點表面的超聲波進入金屬內部， 碰到缺陷及焊 點底部時就會發(fā)生反射現象， 將反射波束收集到熒光屏上形成脈沖波形， 根據波形的特色來 斷定缺陷的位置、 大小和性質。 超聲波檢驗具有敏銳度高、 操作便利、 檢驗速度快、 本錢低、 對人體無害等長處，但是對缺陷進行定性和定量判定尚存在艱苦。掃描超聲波顯微鏡（C-SAM）重要應用高頻超聲（一般為100MHz以上）在材

4、料不持續(xù) 的處所界面上反射產生的位相及振幅變更來成像， 是用來檢測元器件內部的分層、 空泛和裂 紋等一種有效辦法。 采用微聲像技巧， 通過超聲換能器把超聲脈沖發(fā)射到元件封裝中， 在表 面和底板這一深度范疇內， 超聲反饋回波信號以稍微不同的時光間隔達到轉化器， 經過處置 就得到可視的內部圖像， 再通過選通回波信號，將成像限制在檢測區(qū)域，得到缺點圖。一般采取頻率從100MHz到 230MHz最高可達300MHz檢測辨別率也相應進步。1.5 機械性損壞檢測機械性破壞檢測是將焊點進行機械性破壞， 從它的強度和斷裂面來檢討缺陷的。 常用的 評價指標有拉伸強度、 剝離強度和剪切強度。 因為對所有的產品進行

5、檢測是不可能的， 所以 只能進行適量的抽檢。1.6 顯微組織檢測顯微組織檢測是將焊點切片、 研磨、 拋光后用 顯微鏡 來察看其界面， 是一種發(fā)明釬料雜 質、熔蝕、組織 結構 、合金層及渺小裂紋的有效辦法。焊點裂紋一般呈中心對稱散布，因而 應盡量可能沿對角線方向制樣。 顯微組織檢測和機械性損壞檢測一樣， 不可能對所有的成品進行檢測，只能進行適量的抽檢。 光學顯微鏡 是最常用的一種檢測儀器，放大倍數一般達 1 0000 倍，可以直觀的反應材料樣品組織形態(tài)，但辨別率較低，約20nm。1.7 其它幾種檢測方式 染色試驗熒光滲透劑檢測是利用紫外線照耀某些熒光物資產生熒光的特征來檢測焊點表面缺陷的方法。檢

6、驗時先在試件上涂上滲透性很強的熒光油液，停留510min，然后除凈表面過剩的熒光液， 這樣只有在缺陷里存在熒光液。 接著在焊點表面撒一層氧化鎂粉末， 振 動數下， 在缺陷處的氧化鎂被熒光油液滲透， 并有一部分滲透缺陷內腔， 然后把過剩的粉末 吹掉。在暗室里用紫外線照耀，留在缺陷處的熒光物質就會發(fā)出照亮的熒光，顯示有缺陷。 磁粉檢測是應用磁粉檢測漏磁的方法， 檢測時利用一種含有細磁粉的薄膜膠片， 記載釬焊焊 點中的質量變化情形。使用后的幾分鐘內，膠片凝固并把磁粉“ 凝結”在必定的地位上， 就可以察看被檢測試件上的磁粉分布圖形，斷定是否有缺陷。由于大多數釬料是非磁性的， 因此不常用于釬焊焊點的檢驗

7、?；瘜W分析方法可丈量樣品的均勻成分，并能達到很高精度，但不能給出元素分布情況。染色與滲透檢測技巧 （D&PT是通過高滲透性高著色性染料滲透到焊點開裂區(qū)域，然后拉開焊點， 觀測焊點內部開裂水平和分布。 試驗時必需警惕把持拉斷器件時的外力， 以保證焊點 持續(xù)沿預開裂區(qū)域斷開。X-ray衍射（XRD是通過X-ray在晶體中的衍射現象來剖析晶體結構、晶格參數、缺 點、不同結構相的含量及內應力的方法，它是樹立在必定晶格結構模型基本上的間接方法。電子顯微鏡（EM是用高能電子束做光源，用磁場作透鏡制造的電子光學儀器，主要包 括掃描電子顯微鏡（SEM，透射電子顯微鏡（TEM，電子探針顯微鏡（EPMA和

8、掃描透 射電子顯微鏡（STEM。其中SEM用來視察樣品表面形貌，TEM用來察看樣品內部組織形態(tài)和結構，EPMA用來斷定樣品微觀區(qū)域化學成分，STEM具有SEM和TEM的雙層功效。此外，紅外熱相（ IRTI 分析、激光全息照相法和實時射線照相法等也可用于焊點質量檢測。表2為不同分析項目標一些主要分析方法。2 加載檢測及可靠性評價產品失效主要原因包含溫度、濕度、振動和灰塵等，各占比例為55%、 19%、 20%和 6%。加載檢測是每一個部件在適用條件下進行加載以檢測其動作狀態(tài)，方法有振動檢測、 沖擊檢測、熱循環(huán)檢測、加速度檢測和耐壓檢測等， 一般依據適用條件把它們組合起來進行， 且要 求對每一個成

9、品進行檢測。 這種方法最為嚴厲， 可靠性高， 只有航天產品等可靠性要求特殊 嚴厲的情況下才予以采用。近年來國際上采用一種全新的焊點可靠性評估方法，即等溫加速扭轉循環(huán)法（MDS ，通過在必定溫度下周期扭轉全部印刷電路板來考核焊點的可靠性。該方法在焊點內產生的應力以剪切應力為主， 和溫度循環(huán)類似， 因而失效模式和機理極為類似， 但試驗周期卻可從溫 度循環(huán)的幾個月減少到幾天。 該方法不但可以用來快速評估焊點可靠性， 同時也可以用來進 行快速設計和工藝參數優(yōu)化。可靠性評價分類見表 3。遷移是金屬材料在環(huán)境下化學反映形成的表面侵蝕現象，其生 長過程分為陽極溶解、離子遷移和陰極還原， 即金屬電極正極溶解、

10、移動， 在負極析出導致 短路。遷移的發(fā)生形態(tài)常稱為Dendrite和CAF （見圖1）。 Dendrite指遷移使金屬在 PCB的盡緣部表面析出，或者是形成樹枝狀的氧化物；CAF指金屬順著印制板內部的玻璃纖維析出，或者使氧化物作纖維狀的延長。金屬離子的指標可用尺度電極電位Eo來表現，其中Sn比Pb和Cu穩(wěn)固，能形成維護性高的純態(tài)氧化膜， 克制陽極溶解。 電極電位的大小不僅取決于電對的天性， 還與加入電極反 響的各種物資的濃度有關。 對于大多數電對來說，由于（H+或OH）直接參與了電極反映，因此電極電位還與 pH值有關：pH值越高，電極電位越小。另外，助焊劑殘留假如不清洗清 潔，一些腐蝕性、活性

11、元素（如 Cl ）會使電遷移更強，影響電路可靠性。所以，目前常用 免清洗助焊劑嚴厲把持其活性和組份。3 熱循環(huán)加速試驗 熱循環(huán)失效是指焊點在熱循環(huán)或功率循環(huán)進程中， 由于芯片載體材料和基礎材料存在顯 明的熱膨脹系數（CTE差別所導致的蠕變，疲勞失效。通常SMT中芯片載體材料為陶瓷（A 1203），CTE為6.0x10- 6/C，基板資料為環(huán)氧樹脂 /玻璃纖維復合板（FR4）, CTE為20.0 X10-6/C,二者相差3倍以上。當環(huán)境溫度產生變更或元件本身通電發(fā)熱時，由于二者間CTE差別，在焊點內部就發(fā)生周期性變化的應力應變過程，從而導致焊點的失效。IPC-9701 尺度化了五種試驗條件下的熱

12、循環(huán)實驗方式，從良性的 TC1 參考循環(huán)條件到 惡劣的TC4條件，符合及格請求的熱循環(huán)數（ NTQ從NTC-A變更到NTC-E （見表4）。 失效循環(huán)次數可用一個簡略修改的 Coffin-Manson 數模來猜測， 并可以加速獲得熱循環(huán)測試 成果。 Coffin-Manson 數模是關于熱應力引起的低循環(huán)疲勞對微電路和半導體封裝可靠性影 響進行建模的有效方法，表達式為：其中：Nf為疲勞失效循環(huán)數，A為常數，e p為每個循環(huán)的應變范疇，f為循環(huán)頻率，K 為波爾茲曼常數（eV）, Tmax為最高循環(huán)溫度（K）。IPC-9701應用Engelmaier-wild焊點失效模型來評估加速因子AF（循環(huán)數

13、）和AF（時光）。AF（循環(huán)數）與焊點的循環(huán)疲勞壽命有關，是在給定使用環(huán)境中產品壽命的實驗中獲得，可表現為：其中：AF為加速因子，Nfield為現場循環(huán)數，Nlab為試驗循環(huán)數，ffield 為現場循環(huán) 頻率，flab為試驗循環(huán)頻率， Tfield為現場溫度變化， Tlab為試驗溫度變化，Tfield-max為現場最高溫度，Tlab-max為試驗最高溫度。AF （時間）與焊點失效的時光有關，是 在給定的使用環(huán)境中產品壽命的實驗中獲得，可表現為：AF （時間）=AF （循環(huán)數）x （ffield/flab）（3）設計試驗時，在芯片和PCB內引進菊花鏈結構使得組裝后的焊點形成網絡，通過檢測網絡通斷

14、來判定焊點是否失效。 一般須要采取高速持續(xù)計劃， 在納秒級內連續(xù)高速采樣， 以保 證及時正確探測到焊點的開裂。 評價時常依據某一恒定的金屬界面上電位降或電阻變化來斷 定焊點的質量，一般電阻增添150225Q ?ms就可斷定為電性能失效，測得的電阻值超過閥值電阻1000 Q ,就以為是開路。意的是， 雷同高溫溫差引起的損壞水平比低溫要大， 高溫變率條件下失效循環(huán)次數比低 溫變率條件下失效循環(huán)次數要低， 這對其它溫度規(guī)模和溫變率的猜測供給了更守舊的失效周 期，起到加速試驗的后果。 但在快速溫變條件下如果轉變了失效機理， 焊點特點值的變化就 不可能真實地反響大多數現場利用情況。此外， Reza Gh

15、affarian 還發(fā)現失效應力條件可從 全局改變?yōu)榫植浚?比如小型化封裝易出現從焊接接合點到封裝組裝一側的失效轉移，這就要求樹立準確的的失效模型，否則會導致過錯的失效循環(huán)次數猜測結果。一般規(guī)定熱循環(huán)可接收指標為：-40150C， 8001000 次循環(huán)未失效即可。這些基于和實際現場使用條件相應的模仿成果的指標有很大的安全余量，對于大多數產品來講，300 次循環(huán)就已足夠。4 焊點失效機理4.1 工藝方面4.1.1 熱應力與熱沖擊釬焊過程中快速冷熱變化， 對元件造成暫時的溫度差， 使元件承受熱機械力， 導致元件 的陶瓷與玻璃部分產生應力裂紋，成為影響焊點長期可靠性的不利因素。釬料固化后，PCB由

16、高溫降到室溫，由于 PCB和元件間cte不同，有時也會導致陶瓷元件決裂。PCB的玻璃轉化溫度（Tg） 一般在室平和180C之間。焊后釬焊面被強迫冷卻，PCB兩面就會在同一時刻處于不同的溫度，導致釬焊面在玻璃轉化溫度以上時出現PCB翹曲現象（容許有3° -5°翹曲），從而侵害元器件?；迮c元件之間CTE不同，也會造成元件的破裂或焊點裂紋（元件不夠就要焊點來接收過剩的變形）。4.1.2 金屬溶解 在電路組裝中，經常出現蝕金蝕銀現象。這是由于釬料中的錫與鍍金/ 銀引腳中的金 /銀會形成化合物， 導致焊點可靠性下降。 釬料從釬焊溫度冷卻到固態(tài)溫度期間， 有溶解的金 屬析出，在釬料基

17、體內形成脆性的金屬化合物。銅天生針狀的Cu6Sn5銀生成扁平的 Ag3Sn,金天生AgSn4立方體。這些化合物非常脆，剪切強度極低，元件極易脫落。如果金/銀含量少， 生成的化合物量未幾，對焊點的機械性能不會造成太大的侵害，但是含量較多時，釬料會變得易碎。4.1.3 基板和元件過熱各種材料塑性一般在釬焊溫度時是不穩(wěn)固的, 常呈現基板剝離和褪色現象。 紙基酚醛樹 脂常發(fā)生剝離，適于紅外再流焊，而FR-4 （環(huán)氧玻璃基板）在紅外再流焊中經常變色?！?爆米花”現象常出現在大芯片 IC 中。 IC 塑料封裝極易吸潮,加熱時潮氣就會開釋 出來并氣化, 再流焊時在芯片底部的單薄界面處累積成一個氣泡, 封裝受

18、到氣泡的壓力發(fā)生 開裂。 這一現象與濕潤量、 芯片的尺寸、 芯片下的塑料厚度和塑料封裝與芯片之間的粘合質 量有關。目前解決的計劃就是先烘干IC,然后密封保留并堅持干燥；或者在使用前幾小時進行100C以上的預先烘烤。在波峰焊中，一般不會發(fā)生“爆米花”現象。4.1.4 超聲波清洗侵害超聲波清洗對于肅清 PCB表面殘留助焊劑很有效，其毛病是受超聲波功率大小的節(jié)制，太小則不起作用，太大則會破壞PCB及元件。超聲波清洗有可能造成的兩種破壞結果：小液滴對表面的碰撞像噴沙, 相似表面風化； 在清洗槽內, 陶瓷基板受到超聲負載鼓勵而浮現共 諧振動,產生周期性彎曲而發(fā)生疲勞斷裂。4.1.5 裝卸和移動電子產品從

19、元器件裝配、 電路組裝、 釬焊直到成品的運輸和應用的全部壽命周期內, 可 能會蒙受由于機械負載引起的各種振動和沖擊。 例如引起片裝電容器發(fā)生決裂的一個常見原 因就是PCB板的曲折。從很緊的夾具中把PCB板取出時就會呈現這種情形。4.2 制作方面4.2.1 機械應力由于PCB板的曲折附加給焊點和元器件過量的應力，產生焊點質量問題重要包含 3個方面：大通孔元件焊點所受應力易超過屈從極限。假如PCB板上有比擬重的元件（如變壓器）,應當選擇夾具支持；（2）無引線陶瓷元件易發(fā)生斷裂。 當片式元件從多層板上分別時, 元件產生斷裂的危險 性相當高,故最好不要將片式阻容元件放在易曲折的處所；（3）IC 器件上

20、也會發(fā)生焊點斷裂。鷗翼形引線在板平面方向是柔性的,但在板垂直方向是剛性的，假如帶有大的細間距IC的PCB發(fā)生翹曲而沒有支持，或由于不準確的夾具而形成機械負載,就會對焊點造成要挾。4.2.2 運輸振動 焊點外形圓而光滑,沒有應力集中尖角,振動負載一般不會損壞焊點,卻會損壞引線,特殊是重元件和只有少量 （ 2 或 3 根）長的排成一列的柔性引線元件 （ 比如大的電解電容） 易遭遇振動,導致元件引線發(fā)生疲勞斷裂。4.2.3 機械沖擊通孔插裝焊點具有良好的體積和外形, 焊點受機械沖擊時一般不會損壞, 但釬焊 構造其 它部分會產生失效，如大而重的有引線元件， 受機械沖擊后發(fā)生的大慣性力引起 !"

21、;# 板上覆 銅剝離或板斷裂，進而破壞元件本身。所以要求大而重的元件必需有足夠的機械支持固定， 且請求引線有柔性。表面組裝焊點比通孔插裝焊點小的多， 且引線不穿過電路板， 焊點機械強度較小，更易 受到沖擊破壞的危險， 應從釬焊資料和工藝進手， 比如使焊膏在釬焊時不易形成焊球， 助焊 劑殘留物易于肅清，焊膏用量要恰當等。4.2.4 老化實際利用中，電子電路會蒙受各種各樣的負載，包含空氣環(huán)境( 如濕潤、污染的氣體 和蒸汽)，煙霧( 汽車尾氣)，溫度，機械負載等，造成以下成果：化學和電化學腐蝕， 板析的退化，釬料中錫與釬焊合金之間合金層的生長， 由彈性塑性變形產生蠕變斷裂及熱機 械疲勞?；宀牧显跍?/p>

22、度升高時會發(fā)生老化， 溫度越高老化越快。基板失效尺度是：彈性強度減 半，即當彈性強度減半時，材料已老化失效。基板使用溫度的最高容許值取決于產品的“ 運行”時間。對電子電路來說，持續(xù)運行時間為105,使用溫度把持在 80100C。4.2.5 電化學腐蝕在濕潤和有偏置電壓的情形下， 金屬遷移和腐化很易發(fā)生。 所有釬焊金屬都可能發(fā)生 遷移，銀是最敏感的?？諝馕廴舅碌碾娀瘜W腐化危險性很小，但碰到含硫氣體時，氣體中 的硫會與焊點上的銀反映，天生Ag3S而下降焊點可靠性。4.2.6 合金層合金層不僅在釬焊進程中形成， 而且在后置放置過程中也會增厚。 金屬間化合物一般比 擬硬而脆，厚度不適對焊點可靠性不利

23、，一般有 3點要注意：(1) 軟合金層將導致焊點決裂，特殊輕易發(fā)生在含金的釬料中；(2) 全部薄層合金的變化將導致粘附力的下降或電接觸的老化；(3) 釬焊金屬與合金層之間的界面處涌現釬焊金屬的伴生物， 如銅 2 錫合金層之間涌 現的 SnO2。4.2.7 蠕變斷裂材料在長時間恒溫、 恒壓下，即使應力沒有到達屈從強度， 也會慢慢產生塑性變形的現 象稱為蠕變，由蠕變引起的斷裂叫做蠕變斷裂。一般來講，當溫度超過材料熔點溫度的0.3倍以上時，才會呈現顯明的蠕變。5 提高焊點可靠性方法影響焊點質量的因素有很多， 包括機械負載、熱沖擊、裝卸和移動造成的破壞和老化等 方面的原因。操作時應當采用相干辦法來保證

24、焊點質量， 包括溫度循環(huán)負載要小，元件要小， PCB的CTE要小，采用柔性引線，盡量不要裝配大而重的元件，通孔與引線配合應緊密但不 要太緊，焊點尺寸和形狀要恰當。另外，PCB板裝配應保證在板程度方向能自由移動，否則周期性的彎曲會破壞大元件的焊點； 通過優(yōu)化兩個特征： 疲勞屈從點和蠕變阻抗， 使釬料合 金的疲勞壽命到達最大值。改良SMT焊點的可靠性，提高其服役壽命是一個非常龐雜的問題，它涉及到材料學、 新工藝、新技巧的開發(fā)等眾多范疇。5.1 設計高可靠性焊點幾何構造焊點的大小及外形不同， 其承載才能就不同，不同的幾何構造將使焊點在承載時內部的 應力散布不同，其應變水平也不同。因而焊點的幾何結構直

25、接關系到熱循環(huán)壽命。N.Brady等人考核了 625mm|間距的QFPL型引線焊點形態(tài)對強度的影響，得到如下經驗 公式：其中： Xi(i=1,2,3,4,5) 是焊點形態(tài)參數，如圖 2所示。W.M sherry等人對84 I/O非城堡型LCCC旱點的剪切性能進行了試驗研討，成果表明：A、B、C 3 種焊點形態(tài)（見圖 3），其剪切性能不同， " 形焊點在室溫下的剪切性能最好。 此外，焊點形態(tài)對剪切破斷地位也有影響： A 形焊點，剪切破斷發(fā)生于釬料與陶瓷界面四周， B形和C形焊點，剪切破斷則發(fā)生于釬料與基板界面鄰近。王國忠博士對帶有邊堡的無引線SMT焊點形態(tài)問題進行了具體的理論剖析和試驗研討，得到了焊盤伸出長度、 間隙高度和釬料量變化所造成的焊點形狀變化與其熱循環(huán)的關系，指出平型或微凸點的熱循環(huán)壽命是最高的，大約是凹型焊點壽命的5 倍（圖 4），并且不同形態(tài)的焊點，其斷裂所發(fā)生的地位也不同（圖5）。焊點失效時，剪切斷口一般位于 PCB焊盤或集成塊基底焊盤與焊球之間，彎曲疲勞和熱沖擊疲勞開裂部位一般位于PBGA集成塊最邊沿處的某一焊球，而斷口一般位于PCB焊盤與焊球之間，而不是集成塊基底焊盤與焊球之間。這是由于焊球與 PCB焊盤聯(lián)合部位截面尺寸變化較大，為應力集中處，而且這一部位形成了金屬間化合物（IMC）而導致接協(xié)力懦弱。對